刀具工作状态监测系统的设计与实现-集成电路工程专业论文.docxVIP

Classified Index: TN407 U.D.C: 621.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering DESIGN AND IMPLEMENTATION OF TOOL WORKING CONDITION MONITORING SYSTEM Candidate： Xu Shunzhi Supervisor： Prof. Liu Xiaowei Academic Degree Applied for： Master of Engineering Specialty： Integrated Circuit Engineering Affiliation： School of Astronautics Date of Defence： June, 2015 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - -I- 摘 要 机床工业作为先进制造技术的一个重要领域，正在向着高效、高精度的自动 化加工目标发展，而切削刀具在切削加工过程中起着至关重要的作用，切削刀具 的异常变化将直接影响加工精度和可靠性。因此，开发机床刀具工作状态监测系 统，对刀具加工过程中这两种信号进行实时监测就显得尤为重要。 本文针对刀具加工过程实时监测开发两套智能监测刀柄，分别监测振动信号 和切削力/扭矩信号，将整个传感系统集成在刀柄内部，以无线方式进行数据回传 和电能供给。在数据传输方面，通过分析振动信号和切削力/扭矩信号的信号特征， 确定功能指标，并基于两种核心微处理器分别设计信号调理电路、数据采集电路 以及无线通信电路，搭建监测系统的硬件平台。在此基础之上，构建监测系统的 软件平台，实现信号的采集、数据的无线传输以及上位机对系统的控制功能，在 上位机远程、实时地监测这两种刀具信号的波形，同时完成对采集数据的存储。 在电能传输方面，针对机床和刀柄的结构及其高速旋转的特殊工作状态，确定应 用电磁谐振式无线供电方式。从接收端和发射端线圈结构与布局出发，建立“2 发 多收”的刀柄无线供电模型。针对发射模块，设计方波发生电路、MOS 管驱动电路 以及高频逆变电路，实现直流到高频交流的转换。针对接收系统和负载设备的供 电需求，设计整流滤波电路和电源管理电路，实现了高频交流到多路直流的转换， 为刀柄内所有传感系统提供稳定直流电源。 在验证系统数据传输与电能传输各节点设备性能的基础之上，对整个刀具监 测系统进行实际的功能测试和性能分析，实现通过上位机对这两种信号进行远程、 实时的监测，并保证整套刀具监测系统的可行性与稳定性。 关键词：刀具监测；数据采集；无线通信；无线供电 - -II- Abstract Machine tool industry, as an important area of advanced manufacturing technology, is developing towards the goal of high efficiency and precision of automated processing. Cutting tool plays a vital role in the cutting process. Abnormal changes in the cutting tool will directly affect the machining accuracy and reliability. Therefore, it is particularly important to develop machine tool working condition monitoring system and monitor tool machining process in real time. In this paper, two intelligent monitoring handles were developed for the real-time monitoring of tool machining process, monitoring vibration signals and cutting force / torque signal respectively.The entire sensor system is integrated inside the handle. Data transmission and power supply are both in wireless way. As for data transmi